CN112760706A - 等径生长控制系统和等径生长控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等径生长控制系统，包括等径控制装置：等径控制装置包括固液界面高度变化测量结构、硅晶棒直径测量结构和控制结构；固液界面高度变化测量结构包括连接件、图像获取部和第一处理部，连接件的第一端与导流筒靠近硅熔体的一端连接，图像获取部用于获取连接件的第一图像和连接件在硅熔体上的倒影的第二图像，第一处理部用于根据第一图像和第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；硅晶棒直径测量结构用于测量固液界面处、硅晶棒的测量直径；控制结构用于根据固液界面的高度变化和硅晶棒的测量直径获得固液界面处的硅晶棒的实际直径，并根据实际直径控制提拉装置的提拉速度。本发明还涉及一种等径生长控制方法。

Description

等径生长控制系统和等径生长控制方法

技术领域

本发明涉及硅产品制作技术领域，尤其涉及一种等径生长控制系统和等径生长控制方法。

背景技术

在晶体生长过程中，对直径的探测方式之一是采用高温红外计捕捉弯月面处的色度来反馈晶体生长过程中的直径。高温红外计根据固液交接处固有的色度探测到固液交接处的位置，将位置信息换算成直径信息。晶体生长的转肩工序，高温红外计随着固液交接处位置的变化而移动，当由高温红外计测算到的直径和等径阶段的直径数值相同时，高温红外计就停在当前位置，对等径阶段的直径进行探测。高温红外计会根据探测到固定位置色度的变化，测算对应直径的变化，反馈信号对拉速进行调节，实现对直径的调控，在整个等径阶段固液界面高度的变化会导致高温红外计探测的直径变化值不准确，从而导致对拉速的控制不准确。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等径生长控制系统和等径生长控制方法，解决由于固液界面高度的变化造成的直径变化测量不准确的问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种等径生长控制系统，包括：

炉体；

坩埚，所述坩埚设置在所述炉体内、用于容纳硅熔体；

提拉装置，所述提拉装置用于从所述硅熔体内提拉出硅晶棒；

加热装置，所述加热装置用于在所述提拉装置从所述硅熔体内提拉出硅晶棒的过程中，对所述硅晶棒的外表面进行加热；

导流筒，所述导流筒呈桶状并绕所述硅晶棒四周设置，用于对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流，并调整所述硅晶棒和所述硅熔体液面之间的热场分布；还包括等径控制装置：

所述等径控制装置包括固液界面高度变化测量结构、硅晶棒直径测量结构和控制结构；

所述固液界面高度变化测量结构包括连接件、图像获取部和第一处理部，所述连接件的第一端与所述导流筒靠近所述硅熔体的一端连接，所述连接件的与所述第一端相对的第二端向靠近所述硅晶棒的方向延伸设置，所述图像获取部用于获取所述连接件的第一图像和所述连接件在所述硅熔体的液面上的倒影的第二图像，所述第一处理部用于根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

所述硅晶棒直径测量结构用于测量固液界面处、所述硅晶棒的测量直径；

所述控制结构用于根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置的提拉速度。

可选的，所述连接件靠近所述硅熔体的一侧的第一表面与所述硅熔体的液面相平行。

可选的，所述连接件远离所述硅熔体的一侧的第二表面与所述硅熔体的液面所在平面之间的角度大于90度，且所述连接件的第一端在垂直于所述硅熔体的液面的方向上的截面的面积大于所述连接件的第二端在垂直于所述硅熔体的液面的方向上的截面的面积。

可选的，所述导流筒包括靠近所述硅熔体的第三端和远离所述硅熔体的第四端，所述第三端的开口的直径小于所述第四端的开口的直径。

可选的，所述连接件与所述导流筒为一体结构。

可选的，所述硅晶棒直径测量结构包括高温红外计，所述控制结构用于根据以下公式获得所述硅晶棒的实际直径L：

L＝D+ΔD；

ΔD＝Δh/tanθ；

其中，ΔD为所述硅晶棒的实际直径与测量直径的偏差，Δh为固液界面的高度变化值，其硅熔体液面上升，Δh值为正，硅熔体液面下降，Δh值为负；θ为所述高温红外计的光路与所述硅熔体的液面之间的角度。

本发明实施例提供一种等径生长控制方法，应用于上述的等径生长控制系统，包括以下步骤：

获取连接件的第一图像和连接件在所述硅熔体上的倒影的第二图像；

根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

测量固液界面处、所述硅晶棒的测量直径；

根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置的提拉速度。

可选的，所述硅晶棒直径测量结构包括高温红外计，根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，具体包括：

根据以下公式获得所述硅晶棒的实际直径L：

L＝D+ΔD；

ΔD＝Δh/tanθ；

其中，ΔD为所述硅晶棒的实际直径与测量直径的偏差，Δh为固液界面的高度变化值，硅熔体液面上升，Δh值为正，硅熔体液面下降，Δh值为负；θ为所述高温红外计的光路与所述硅熔体的液面之间的角度。

本发明的有益效果是：本发明实施例中设置连接件，通过对连接件和连接件在硅熔体的液面上的倒影之间的位置关系获得固液界面的高度变化，并结合测量的硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置的提拉速度，提高提拉速度的控制的精确性。

附图说明

图1表示本发明实施例中等径生长控制系统结构示意图；

图2a表示本发明实施例中直径变大的状态示意图；

图2b表示本发明实施例中直径变小的状态示意图；

图3a表示本发明实施例中固液界面上升的状态示意图；

图3b表示本发明实施例中固液界面下降的状态示意图；

图4表示本发明实施例中所述硅晶棒的实际直径L获取的原理示意图；

图5表示本发明实施例中等径生长控制方法流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施例提供一种等径生长控制系统，包括：

炉体(图中未示)；

坩埚1，所述坩埚1设置在所述炉体内、用于容纳硅熔体5；

提拉装置2，所述提拉装置2用于从所述硅熔体5内提拉出硅晶棒8；

加热装置(图中未示)，所述加热装置用于在所述提拉装置2从所述硅熔体5内提拉出硅晶棒8的过程中，对所述硅晶棒8的外表面进行加热；

导流筒3，所述导流筒3呈桶状并绕所述硅晶棒8四周设置，用于对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流，并调整所述硅晶棒8和所述硅熔体5液面之间的热场分布；还包括等径控制装置：

所述等径控制装置包括固液界面高度变化测量结构、硅晶棒直径测量结构6和控制结构；

所述固液界面高度变化测量结构包括连接件4、图像获取部5和第一处理部，所述连接件4的第一端与所述导流筒3靠近所述硅熔体5的一端连接，所述连接件4的与所述第一端相对的第二端向靠近所述硅晶棒8的方向延伸设置，所述图像获取部5用于获取所述连接件4的第一图像和所述连接件4在所述硅熔体7的液面上的倒影的第二图像，所述第一处理部用于根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

所述硅晶棒直径测量结构6用于测量固液界面处、所述硅晶棒8的测量直径；

所述控制结构用于根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒8的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒8的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置2的提拉速度。

半导体集成电路用单晶硅片的晶体生长采用的是MCZ晶体生长技术，在外加磁场下，采用具有相同晶向的单晶硅棒做为籽晶，通过熔化、引晶、缩颈，专肩，放肩，等径生长，收尾和冷却工艺进行晶体生长，实现这一系列复杂工艺过程的设备是拉晶炉和热场。晶体生长属于熔体生长过程，合理的温度分布是相变生长的关键，晶体生长的温度分布由拉晶炉内的热场决定，其中决定晶体生长品质的关键热场部件是热屏。在晶体生长过程中会存在晶体原生类缺陷，包含空穴类缺陷和间隙类缺陷，空穴类缺陷在半导体制程中会影响GOI(栅氧化完整性)良率，间隙类缺陷会影响该区域的电性能。存储芯片所需的抛光硅片，对空穴类缺陷和间隙类缺陷的要求越来越严格。

晶体生长中的缺陷由Voronkov在1982提出的V/G理论决定，V是MCZ工艺段中等径阶段的拉速，G是生长界面的温度梯度，V由拉晶炉的控制系统实现，G由热场的核心部件热屏的形状决定，V/G比存在一个临界区域，当V/G比大于临界区域时，主要生成空穴类缺陷；当V/G比小于临界区域时，主要生成间隙类缺陷。在抛光硅片的长晶工艺中，为了确保V/G比控制在临界区域内，除了调试拉速V之外，还会调整熔液的高度。

通常的晶体生长炉对拉速的控制是通过监控直径的变化来实现的，在晶体生长过程中固液交接处会形成一个光圈，称为弯月面，直径监控是通过直径探测器对弯月面的探测，将探测信号处理后和目标值进行对比，反馈到PLC对拉速进行调节的。对直径的探测方式之一是采用高温红外计捕捉弯月面处的色度来反馈晶体生长过程中直径的大小。高温红外计的直径探测方法具有反馈及时，信号准确等特点。在对等径阶段的直径探测是在等径阶段开始之前，高温红外计根据固液交接处固有的色度探测到固液交接处的位置，将位置信息换算成直径信息，并随着固液交接处位置的变化而移动，当由高温红外计测算到的直径和等径阶段的直径数值相同时，高温红外计就停在当前位置，对等径阶段的直径进行探测。高温红外计会根据探测到固定位置色度的变化，测算对应直径的变化，反馈信号对拉速进行调控，在整个等径阶段固液界面高度的变化会导致高温红外计探测的直径值不准确，从而导致对拉速的控制不准确。

本实施例中，通过在所述导流筒3靠近所述硅熔体7的一端设置连接件4，进而通过图像获取部5获取所述连接件4的第一图像和所述连接件4在所述硅熔体7上的倒影的第二图像，所述第一处理部根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

所述硅晶棒直径测量结构6用于测量固液界面处、所述硅晶棒8的测量直径；

所述控制结构用于根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒8的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒8的实际直径，从而解决等经生长过程中熔液位置改变而导致的直径信号的反馈误差的问题，所述控制结构根据所述实际直径控制所述提拉装置2的提拉速度，提高提拉速度的控制的精确性。

本实施例中示例性的，所述连接件4靠近所述硅熔体7的一侧的第一表面与所述硅熔体7的液面相平行。

采用上述技术方案，所述第一表面上的任意一点与所述硅熔体7的液面之间的位置关系是相同的，在通过所述连接件4和所述连接件4在所述硅熔体7的液面上的倒影之间的位置关系，获得固液界面的高度变化时，减小误差的产生。

本实施例中示例性的，所述连接件4远离所述硅熔体7的一侧的第二表面与所述硅熔体7的液面所在的平面之间的角度大于90度，且所述连接件4的第一端在垂直于所述硅熔体7的液面的方向上的截面的面积大于所述连接件4的第二端在垂直于所述硅熔体7的液面的方向上的截面的面积。

在生产直拉单晶棒时，需要通入氩气作为保护气体，防止炉内各类部件以及单晶硅棒的氧化，也能带走固液结晶界面处的杂质，有利于无位错单晶的生长，同时较低温度的氩气起到了冷却晶棒的作用，提高温度梯度，增加晶棒的生长速度，因此直拉单晶导流筒3设置于晶棒的外侧，氩气进入单晶炉筒后，通过导流筒3，经过晶棒的表面，吹过液面，最终通过单晶炉的抽气系统排出单晶炉外。本实施例中，所述连接件4连接于所述导流筒3靠近所述硅熔体7的一端，为了不影响所述导流筒3的作用，所述连接件4的第一端在垂直于所述硅熔体7的液面的方向上的截面的面积大于所述连接件4的第二端在垂直于所述硅熔体7的液面的方向上的截面的面积，即所述连接件4的与所述第一表面相对的第二表面是朝向所述硅晶棒8的方向倾斜设置的斜面，利于引导氩气流向所述硅晶棒8，也起到了导向的作用。

本实施例中示例性的，所述导流筒3包括靠近所述硅熔体7的第三端和远离所述硅熔体7的第四端，所述第三端的开口的直径小于所述第四端的开口的直径。

所述导流筒3为一个两端具有开口的锥台形状，所述第三端的开口的直径小于所述第四端的开口的直径，利于将通入的氩气导向所述硅晶棒8。

本实施例中示例性的，所述连接件4与所述导流筒3为一体结构，简化工艺。

本实施例中示例性的，所述连接件4的材质采用石英，但并不以此为限。

本实施例中示例性的，所述硅晶棒直径测量结构6包括高温红外计，所述控制结构用于根据以下公式获得所述硅晶棒8的实际直径L：

L＝D+ΔD；

ΔD＝Δh/tanθ；

其中，ΔD为所述硅晶棒8的实际直径与测量直径的偏差，Δh为固液界面的高度变化值，；θ为所述高温红外计的光路与所述硅熔体7的液面之间的角度。

其中，硅熔体液面上升，Δh值为正，即L＝D+ΔD，硅熔体液面下降，Δh值为负，即L＝D-ΔD。

如图4所示，晶体生长过程中高温红外计的位置不变(光路10为高温红外计的光路)，但固液界面的位置发生改变，由第一位置30改变为第二位置20处，从图4中可获得，由于高温红外计的光路10测量路径不变，测量点为A点，但是由于固液界面升高，高温红外计获得的测量直径是测量点B处的信息，从色度判定，直径变小，会反馈通过拉速来调整直径，出现错误的反馈信息，因此需考虑直径测量的修正参数ΔD为Δh/tanθ。

用高温红外计测量晶体生长温度是比较常用的方法，其工作原理是通过吸收高温物体辐射的红外线，通过对吸收的红外线的红外光谱进行数据处理，并换算成直径的信号，对高温物体的直径进行非接触式的测量。一般高温红外计包含瞄准器、透镜(用于确定高温红外计的测量点)、光谱接收器等部件。

本实施例中示例性的，高温红外计采用的型号为Pyrometer1000.

本实施例中示例性的，所述提拉装置2包括依次连接的提拉头21、提拉绳22和籽晶重锤23，所述提拉绳22为钨丝。

本实施例中示例性的，所述图像获取部可以为CCD相机，但并不以此为限。

本实施例中示例性的，所述硅晶棒直径测量结构6包括高温红外计和移动部，所述高温红外计可移动的设置于所述移动部上，所述移动部上沿着所述高温红外计的移动方向设置有刻度。

在转肩工序，移动部件驱使高温红外计随着晶体直径的变大而移动，直至转肩工序结束，进入等径工序，高温红外计即在当前位置停止，并通过探测弯月面的色度检测直径信号。

拉晶炉的直径控制系统将这一直径信号反馈至PLC，将测试值和目标直径对比，通过对拉速进行调节来抑制直径的变化。图2a是直径变大的情况(虚线表示晶棒直径变大的实际位置)，此时高温红外计测量的是晶棒8，晶棒8的温度要低于弯月面处的温度(弯月面处的温度一般为1420度左右)，通过反馈辐射信号，测算直径值，PLC将测算直径和目标直径进行对比，确认直径变大的值，由PLC参数计算拉速需要增加的值，随着拉速的提升，直径会随之减小，从而抑制直径的变化；图2b是直径变小的情况(虚线为直径变小的晶棒的实际位置)，此时高温红外计测量的是硅熔体7，硅熔体7的温度要高于弯月面处的温度，测算直径变小的值，PLC测算减小拉速的数值，从而提升直径。

由于高温红外计的光路不变，若固液界面位置不变，则反馈的直径信息将是正确的，但随着晶体的生长，固液界面处的温区(温度区间，一般固液界面处具有固定的温度分布和温度梯度)将发生变化，为了保持温区的不变，需要对固液界面的高度进行调节，这就导致固液界面不会保持在同一水平面上。这样反馈的直径信息会出现如图3a和图3b所示的情况。

图3a和图3b是在直径不变的情况下，固液界面上升或下降时高温红外计探测的情况，固液界面上升时，即硅熔体液面上升，高温红外计检测到的位置不再是弯月面，而是硅熔体7参考图3a；固液界面下降时，高温红外计检测到的是晶棒8，参考图3b。因此硅熔体液面(即固液界面)的上升或下降，会造成测量直径变小和变大的测量结果，导致反馈错误的直径变化信息。

本实施例中，根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化，根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒8的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒8的实际直径，减少直径信息反馈的误差。

如图5所示，本发明实施例提供一种等径生长控制方法，应用于上述的等径生长控制系统，包括以下步骤：

获取连接件4的第一图像和连接件4在所述硅熔体7上的倒影的第二图像；

根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

测量固液界面处、所述硅晶棒8的测量直径；

根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒8的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒8的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置2的提拉速度。

本实施例中示例性的，所述硅晶棒直径测量结构6包括高温红外计，根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒8的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒8的实际直径，具体包括：

根据以下公式获得所述硅晶棒8的实际直径L：

L＝D+ΔD；

ΔD＝Δh/tanθ；

其中，ΔD为所述硅晶棒8的实际直径与测量直径的偏差，Δh为固液界面的高度变化值，硅熔体液面上升，Δh值为正，硅熔体液面下降，Δh值为负，θ为所述高温红外计的光路与所述硅熔体7的液面之间的角度。

以上所述为本发明较佳实施例，需要说明的是，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种等径生长控制系统，包括：

炉体；

坩埚，所述坩埚设置在所述炉体内、用于容纳硅熔体；

提拉装置，所述提拉装置用于从所述硅熔体内提拉出硅晶棒；

加热装置，所述加热装置用于在所述提拉装置从所述硅熔体内提拉出硅晶棒的过程中，对所述硅晶棒的外表面进行加热；

导流筒，所述导流筒呈桶状并绕所述硅晶棒四周设置，用于对从所述炉体顶部输入的氩气进行整流，并调整所述硅晶棒和所述硅熔体液面之间的热场分布；其特征在于，还包括等径控制装置：

所述等径控制装置包括固液界面高度变化测量结构、硅晶棒直径测量结构和控制结构；

所述固液界面高度变化测量结构包括连接件、图像获取部和第一处理部，所述连接件的第一端与所述导流筒靠近所述硅熔体的一端连接，所述连接件的与所述第一端相对的第二端向靠近所述硅晶棒的方向延伸设置，所述图像获取部用于获取所述连接件的第一图像和所述连接件在所述硅熔体的液面上的倒影的第二图像，所述第一处理部用于根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

所述硅晶棒直径测量结构用于测量固液界面处、所述硅晶棒的测量直径；

所述控制结构用于根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置的提拉速度。

2.根据权利要求1所述的等径生长控制系统，其特征在于，所述连接件靠近所述硅熔体的一侧的第一表面与所述硅熔体的液面相平行。

3.根据权利要求1所述的等径生长控制系统，其特征在于，所述连接件远离所述硅熔体的一侧的第二表面与所述硅熔体的液面所在平面之间的角度大于90度，且所述连接件的第一端在垂直于所述硅熔体的液面的方向上的截面的面积大于所述连接件的第二端在垂直于所述硅熔体的液面的方向上的截面的面积。

4.根据权利要求1所述的等径生长控制系统，其特征在于，所述导流筒包括靠近所述硅熔体的第三端和远离所述硅熔体的第四端，所述第三端的开口的直径小于所述第四端的开口的直径。

5.根据权利要求1所述的等径生长控制系统，其特征在于，所述连接件与所述导流筒为一体结构。

6.根据权利要求1所述的等径生长控制系统，其特征在于，所述硅晶棒直径测量结构包括高温红外计，所述控制结构用于根据以下公式获得所述硅晶棒的实际直径L：

L＝D+ΔD；

ΔD＝Δh/tanθ；

其中，ΔD为所述硅晶棒的实际直径与测量直径的偏差，Δh为固液界面的高度变化值，且硅熔体液面上升，Δh值为正，硅熔体液面下降，Δh值为负；θ为所述高温红外计的光路与所述硅熔体的液面之间的角度。

7.一种等径生长控制方法，应用于权利要求1-6任一项所述的等径生长控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

获取连接件的第一图像和连接件在所述硅熔体上的倒影的第二图像；

根据所述第一图像和所述第二图像之间的位置关系获得固液界面的高度变化；

测量固液界面处、所述硅晶棒的测量直径；

根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，并根据所述实际直径控制所述提拉装置的提拉速度。

8.根据权利要求7所述的等径生长控制方法，其特征在于，所述硅晶棒直径测量结构包括高温红外计，根据所述固液界面的高度变化和所述硅晶棒的测量直径获得固液界面处的所述硅晶棒的实际直径，具体包括：

根据以下公式获得所述硅晶棒的实际直径L：

L＝D+ΔD；

ΔD＝Δh/tanθ；

其中，ΔD为所述硅晶棒的实际直径与测量直径的偏差，Δh为固液界面的高度变化值，且硅熔体液面上升，Δh值为正，硅熔体液面下降，Δh值为负；θ为所述高温红外计的光路与所述硅熔体的液面之间的角度。

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